(57)【要約】【課題】本発明の課題は、成分偏析が少ない高融点活性合金を得るために用いる消耗電極を提供することにある。【解決手段】本発明は、  高融点活性金属を含有する合金を製造するための消耗電極であって、  消耗電極の全長をＬとし、トップ側の端から長さ０／１２Ｌ〜１／１２Ｌの部分を第１トップ部、長さ１／１２Ｌ〜２／１２Ｌの部分を第２トップ部、長さ２／１２Ｌ〜１０／１２Ｌの部分を中央部、長さ１０／１２〜１１／１２Ｌの部分を第２ボトム部、長さ１１／１２Ｌ〜１２／１２Ｌの部分を第１ボトム部と称し、前記高融点活性金属に対して正偏析する元素の中央部での平均質量％濃度をＸとしたとき、第１トップ部における前記正偏析する元素の濃度が０．６Ｘ〜０．９５Ｘであり、第２トップ部における前記正偏析する元素の濃度が０．６Ｘ〜１Ｘであることを特徴とする消耗電極を提供することで上記課題を解決した。【選択図】図１
2007291453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高融点活性金属を含有する合金を製造するための消耗電極であって、
消耗電極の全長をＬとし、トップ側の端から長さ０／１２Ｌ〜１／１２Ｌの部分を第１トップ部、長さ１／１２Ｌ〜２／１２Ｌの部分を第２トップ部、長さ２／１２Ｌ〜１０／１２Ｌの部分を中央部、長さ１０／１２〜１１／１２Ｌの部分を第２ボトム部、長さ１１／１２Ｌ〜１２／１２Ｌの部分を第１ボトム部と称し、前記高融点活性金属に対して正偏析する元素の中央部での平均質量濃度をＸとしたとき、第１トップ部における前記正偏析する元素の平均質量濃度が０．６Ｘ〜０．９５Ｘであり、第２トップ部における前記正偏析する元素の平均質量濃度が０．６Ｘ〜１Ｘであることを特徴とする消耗電極。
【請求項２】
上記第１ボトム部における上記正偏析する元素の平均質量濃度が０．６Ｘ〜０．９５Ｘであり、上記第２ボトム部における上記正偏析する元素の平均質量濃度が０．６Ｘ〜１Ｘである請求項１に記載の消耗電極。
【請求項３】
上記高融点活性金属がチタンであり、上記範囲に平均質量濃度が制御される正偏析する元素がＣｒおよび／またはＦｅである請求項１または２に記載の消耗電極。
【請求項４】
高融点活性金属を含有する合金を製造するための消耗電極であって、
消耗電極の全長をＬとし、トップ側の端から長さ０／１２Ｌ〜１／１２Ｌの部分を第１トップ部、長さ１／１２Ｌ〜２／１２Ｌの部分を第２トップ部、長さ２／１２Ｌ〜１０／１２Ｌの部分を中央部、長さ１０／１２〜１１／１２Ｌの部分を第２ボトム部、長さ１１／１２Ｌ〜１２／１２Ｌの部分を第１ボトム部と称し、前記高融点活性金属に対して負偏析する元素の中央部での平均質量濃度をＹとしたとき、第１トップ部における前記負偏析する元素の平均質量濃度が１．０５Ｙ〜１．４Ｙであり、第２トップ部における前記負偏析する元素の平均質量濃度が１Ｙ〜１．４Ｙであることを特徴とする消耗電極。
【請求項５】
上記第１ボトム部における上記負偏析する元素の平均質量濃度が１．０５Ｙ〜１．４Ｙであり、上記第２ボトム部における上記負偏析する元素の平均質量濃度が１Ｙ〜１．４Ｙである請求項４に記載の消耗電極。
【請求項６】
上記高融点活性金属がチタンであり、上記範囲に平均質量濃度が制御される負偏析する元素がＭｏ、ＡｌおよびＯの中から選択される少なくとも１種である請求項４または５に記載の消耗電極。
【請求項７】
高融点活性金属と、該高融点活性金属に対して正偏析する元素と負偏析する元素を少なくとも含有する合金を製造するための消耗電極であって、
上記正偏析する元素が請求項１〜３のいずれか１項の要件を満たし、
上記負偏析する元素が請求項４〜６のいずれか１項の要件を満たすことを特徴とする消耗電極。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の消耗電極を用いて真空アーク溶融法にてインゴットを形成した後、
得られたインゴットの上下を反転させたものを消耗電極として用いて真空アーク溶融法にて新たなインゴットを形成する工程を少なくとも１回行なって得られる高融点活性合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高融点活性合金の製造に用いる消耗電極に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に工業用のチタンやジルコニウムなどの高融点活性金属やそれらの合金のインゴットは、消耗電極を用いて真空アーク溶融法や電子ビーム溶融法などで得られており、上記消耗電極は、通常、図１に示すように高融点活性金属１と合金成分２からなるコンパクトを複数形成し、それらを溶接することで製造している。上記コンパクトの形態は、チタン合金を例に取ると、中心部にチタン以外の成分（以下、合金成分とも称する）を配置し、その周囲を高融点活性金属としてのチタン（例えばスポンジチタン）で覆う形態が一般的であり（例えば、特許文献１を参照）、それ以外に高融点活性金属の周囲に合金成分を巻きつけた形態や、コンパクト中に合金成分を層状または塊状に分散して配置させた形態のものも存在する。
【０００３】
上記合金成分としては、ＦｅやＣｒなどの元素が挙げられる。これら元素は、インゴットの硬度を高めるなどの利点がある反面、インゴット内でマクロ偏析し、成分に偏りを生じさせることがある。そして成分の偏りが生じたインゴットは、強度などの機械的特性にバラツキが生じ、歩留まりが著しく低下してしまうことがある。特に航空機の材料として多用されているＴｉ−１７合金（Ｔｉ−５Ａｌ−２Ｓｎ−２Ｚｒ−４Ｍｏ−４Ｃｒ）では、品質が高く、十分な信頼性を備えた合金が求められており、成分の偏りが少ないインゴットが求められている。
【０００４】
上記のような事情から、特許文献２では、合金成分と高融点活性金属との融点の違いに着目し、高融点活性金属（チタン）よりも融点が低い合金成分（スズなど）を板状または塊状の形態でコンパクト中に分散配置させることで、成分の局所的な偏りを抑制したインゴットを得ている。しかし、融点が異なる元素を数種類含む合金（例えば、上述のＴｉ−１７合金やＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ合金など）を上記方法にて製造するには、元素ごとに配置状態を工夫する必要があり、製造工程が煩雑となる。またインゴット全体で発生するマクロ偏析には、特許文献２の方式では対応できない。
【０００５】
真空アーク溶融法などを用いて高融点活性合金を製造する際に、一定の電流（定常電流）にて消耗電極を溶融させた後、電流の供給を急速に停止させた場合、得られるインゴットのトップ部で成分偏析が生じることが知られている（マクロ偏析）。そこで特許文献３では、消耗電極を用いて真空アーク溶解法にて二重溶解させる際に、最終的に得られる鋳塊物のトップ部に相当する部分で“偏析の著しい元素”の濃度を調整した消耗電極を用いることで、最終的に得られる鋳塊物のトップ部で生じる成分偏析を抑制する方法を開示している。
【特許文献１】特公昭４６−１７４１３号公報
【特許文献２】特開２００４−２６３２１７号公報
【特許文献３】特開昭６１−６７７２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
通常の真空アーク溶融法を用いた高融点活性合金の製造方法では、図２に示すように、インゴット（一次鋳塊物）を得た後、得られたインゴットの上下を反転させたものを消耗電極（二次反転消耗電極）として用い、新たにインゴット（二次鋳塊物）を得る工程を繰り返している。
【０００７】
本発明者らは、各コンパクト間で組成が均一な１２個のコンパクトを溶接して図１のようなチタン合金消耗電極を作製し、該消耗電極を用いて一次鋳塊物を得た後、得られた一次鋳塊物の上下を反転させたものを二次反転消耗電極として用いて二次鋳塊物を製造する図２の製造方法を用いて得られる一次・二次鋳塊物の中心軸上でのＣｒ（Ｔｉに対して正偏析する元素）の成分偏析の挙動をシミュレーションした。その結果、図３に示すように、一次鋳塊物（図３中、左のグラフ）ではトップ部（α１）でＣｒの成分偏析が生じていた。さらに二次鋳塊物（図３中、右のグラフ）では、ボトム部（α２）で、トップ部（β２）並にＣｒの成分偏析が起こることを突き止めた（図３）。
【０００８】
上記特許文献３に記載の製造方法は、最終的に得られる鋳塊物（二次鋳塊物）のトップ部（β２）での成分偏析の抑制を目的としているため、上記のようなボトム部（α２）で生じる大きな成分偏析には対応できていなかった。
【０００９】
本発明は、上記の二次鋳塊物のボトム部（α２）で生じる成分偏析も抑えることで、成分偏析の少ない高融点活性合金を得るための消耗電極を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、トップ部で“偏析する元素”の濃度を変化させた消耗電極を用いることで、成分偏析が少ない高融点活性合金を製造できることを見出した。
【００１１】
また真空アーク溶融法などを用いて溶融を行なうと、溶融電流に対応して溶湯プールの深さが深くなり、高融点活性金属に対する平衡分配係数が１未満の“偏析する元素”（以下、“正偏析する元素”とも称する）では、得られるインゴットのトップ部（特に最終凝固部）で濃度が高くなり、平衡分配係数が１超の“偏析する元素”（負偏析する元素）では濃度が低くなくなることに着目した。これらのことを加味し、消耗電極の全長をＬとし、トップ側の端から長さ０／１２Ｌ〜１／１２Ｌの部分を第１トップ部、長さ１／１２Ｌ〜２／１２Ｌの部分を第２トップ部、長さ２／１２Ｌ〜１０／１２Ｌの部分を中央部、長さ１０／１２〜１１／１２Ｌの部分を第２ボトム部、長さ１１／１２Ｌ〜１２／１２Ｌの部分を第１ボトム部と称し、前記高融点活性金属に対して正偏析する元素の中央部での平均質量濃度をＸ、負偏析する元素の中央部での平均質量濃度をＹとしたときに、下記する２種類の消耗電極を提供することで上記課題を解決することができた。
（１）高融点活性金属に対して正偏析する元素を含有する消耗電極の場合
第１トップ部における前記正偏析する元素の平均質量濃度が０．６Ｘ〜０．９５Ｘであり、第２トップ部における前記正偏析する元素の平均質量濃度が０．６Ｘ〜１Ｘであることを特徴としている。その際、上記第１ボトム部における上記正偏析する元素の平均質量濃度を０．６Ｘ〜０．９５Ｘとし、上記第２ボトム部における上記正偏析する元素の平均質量濃度を０．６Ｘ〜１Ｘとすることで、二次鋳塊物のトップ部での成分偏析も抑制できる。また上記高融点活性金属としてチタンを用いた場合、上記濃度範囲に制御すべき正偏析する元素としては、Ｃｒおよび／またはＦｅが挙げられる。
（２）高融点活性金属に対して負偏析する元素を含有する消耗電極の場合
第１トップ部における前記負偏析する元素の平均質量濃度が１．０５Ｙ〜１．４Ｙであり、第２トップ部における前記負偏析する元素の平均質量濃度が１Ｙ〜１．４Ｙであることを特徴としている。その際、上記第１ボトム部における上記負偏析する元素の平均質量濃度を１．０５Ｙ〜１．４Ｙとし、上記第２ボトム部における上記負偏析する元素の平均質量濃度を１Ｙ〜１．４Ｙとすることで、二次鋳塊物のトップ部での成分偏析も抑制できる。さらに上記高融点活性金属としてチタンを用いた場合、上記濃度範囲に制御すべき負偏析する元素としては、Ｍｏ、Ａｌ、Ｏなどが挙げられる。
【００１２】
また上記正偏析する元素と負偏析する元素を含有する消耗電極では、
上記正偏析する元素が上記（１）の要件を満たし、
上記負偏析する元素が上記（２）の要件を満たすことが好ましい。
【００１３】
また、上記消耗電極を用いて真空アーク溶融法にてインゴットを形成した後、
得られたインゴットの上下を反転させたものを消耗電極として用いて真空アーク溶融法にて新たなインゴットを形成する工程を少なくとも１回行うことで、成分偏析の少ない高融点活性合金を得ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の消耗電極を用いることで、成分偏析が少ない高融点活性合金を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の消耗電極は、合金成分の高融点活性金属に対する平衡分配係数を利用したものであり、真空または不活性ガス（例えばＡｒやＨｅなど）の雰囲気下で、アーク溶融法、プラズマアーク溶融法、高周波溶融法、電子ビーム溶融法などを用いて高融点活性合金を製造する際に好適に用いることができる。
【００１６】
高融点活性金属としては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗなどが挙げられ、中でもＴｉやＺｒ、さらにはＴｉが好ましい。
【００１７】
高融点活性合金に、上記高融点活性金属と共に含有させる合金成分としては、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｏ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｂ、Ｐ、Ｓ、Ｃ、Ｎ、Ｈなどの中から、上記高融点活性金属の種類や所望する特性（例えば、耐食性や強度など）などに応じて、１種類または複数種類選択すればよい。また合金成分は、高融点活性金属に対する平衡分配係数の値が１未満を示す“正偏析する元素”と、上記値が１超を示す“負偏析する元素”とに分けることができる。
【００１８】
上記平衡分配係数（ＫO）について、図５の平衡状態図（横軸：高融点活性金属中の合金成分濃度、縦軸：温度）を参照しながら説明すると、該分配係数（Ｋ0）とは、合金成分を含有する高融点活性金属を液体状態（Ｌ）から冷却し、凝固開始時の液相側の合金成分濃度（ＣL）と固相側の合金成分濃度（ＣS）の比（ＫO＝ＣS／ＣL）を意味する。
【００１９】
具体的には、高融点活性金属としてＴｉやＺｒを例に取れば、正偏析する元素としてはＣｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｓｎなどが挙げられ、中でもＣｒやＦｅが特に偏析しやすい。また負偏析する元素としては、Ｍｏ、Ａｌ、Ｏなどが例示できる。
【００２０】
高融点活性合金に含有させる合金成分の濃度は、高融点活性合金の種類や求められる特性などによっても異なるが、通常０．１〜２０質量％程度のことが多い。また合金成分が２種以上の元素からなる場合には、上記割合は各元素について上記の範囲内となるように含有させればよい。
【００２１】
前述の様に、高融点活性金属に対して正偏析する元素や負偏析する元素などの偏析する元素はインゴットのトップ部及びボトム部で偏析が生じる傾向がある。通常の消耗電極を用いて得られた一次鋳塊物では、特にトップ部（図２のα１）で大きな成分偏析が生じる事が多い。その結果、図２に示すような一次鋳塊物の上下を反転させた消耗電極（二次反転消耗電極）では、ボトム部（α１）で上記元素が偏析した状態となっている。そのため、該二次反転消耗電極を用いて得られた二次鋳塊物では、ボトム部（α２）で成分偏析が残存してしまう。
【００２２】
それに対して本発明の消耗電極では、トップ部（α）において、偏析する元素の濃度を調節しているため（正偏析する元素では濃度を低くし、負偏析する元素では濃度を高くする）、得られる一次鋳塊物のトップ部（α１）および二次反転消耗電極のボトム部（α１）での上記元素の成分偏析が抑えられている。そのため、該二次反転消耗電極を用いて得られた二次鋳塊物では、ボトム部（α２）での成分偏析が抑制されている。
【００２３】
本発明の消耗電極では、濃度を調節する部分が消耗電極の中央付近にまで亘ると、得られるインゴット（一次・二次鋳塊物）の中央付近で、上記元素の濃度に偏りが生じてしまう。そのため、消耗電極の中央付近では上記元素の濃度が比較的均一な部分（中央部）を設ける必要がある。そこで消耗電極のボトム部や下記するトップ部での、偏析する元素の濃度や上記元素の濃度を調節する部分は、合金成分の高融点活性金属に対する平衡分配係数の値に応じて決めればよい。具体的には、上記平衡分配係数が“１”から大きく離れている元素ほど、中央部と比べてより濃度を大きく変化させるか、より広い部分に亘って濃度を調節するか、あるいはこれらを組み合わせて決定すればよい。
【００２４】
具体的には、消耗電極の全長をＬとし、トップ側の端を起点とした場合に、二次鋳塊物のボトム部で生じる上記元素の成分偏析を抑制するには少なくとも長さ０〜１／１２Ｌの部分（以下、第１トップ部と称する）で上記元素の濃度を調節すればよい。
【００２５】
さらに具体的には、長さ２／１２Ｌ〜１０／１２Ｌの部分（以下、中央部と称する）の正偏析する元素の平均質量濃度（Ｘ）や、中央部の負偏析する元素の平均質量濃度（Ｙ）を基準にして、第１トップ部で正偏析元素及び負偏析元素のいずれか（又は両方）を調節する。すなわち第１トップ部で正偏析元素の濃度を調節する場合、該第１トップ部での正偏析元素の濃度は、０．６Ｘ以上（好ましくは０．６５Ｘ以上、より好ましくは０．７Ｘ以上）、０．９５Ｘ以下（好ましくは０．９Ｘ以下、より好ましくは０．８５Ｘ以下）程度である。また第１トップ部で負偏析元素の濃度を調節する場合、該第１トップ部での負偏析元素の濃度は、１．０５Ｙ以上（好ましくは１．０７５Ｙ以上、より好ましくは１．１Ｙ以上）、１．４Ｙ以下（好ましくは１．３５Ｙ以下、より好ましくは１．３Ｙ以下）の範囲内に高めることが好ましい。さらに必要に応じて、隣接する長さ１／１２〜２／１２Ｌの部分（以下、第２トップ部と称する）で、“正偏析する元素”では０．６Ｘ以上（好ましくは０．６５Ｘ以上、より好ましくは０．７Ｘ以上）、１Ｘ以下（好ましくは０．９５Ｘ以下、より好ましくは０．９Ｘ以下）の範囲内、“負偏析する元素”では１Ｙ以上（好ましくは１．０２５Ｙ以上、より好ましくは１．０５Ｙ以上）、１．４Ｙ以下（好ましくは１．３５Ｙ以下、より好ましくは１．３Ｙ以下）の範囲内で濃度を調節することができる。
【００２６】
また二次反転消耗電極を用いて二次鋳塊物を得る際に、二次鋳塊物のトップ部（β２）でも成分偏析が生じる。そのため、二次鋳塊物のトップ部（β２）で生じる成分偏析を抑制する観点から、二次反転消耗電極のトップ部（β１）、つまり一次鋳塊物のボトム部（β１）で、上記と同様に偏析する元素の濃度を調節しておくことが好ましい。その場合、インゴットのボトム部は、トップ部よりも成分偏析が起こり難いため、消耗電極の少なくとも長さ１１／１２〜１２／１２Ｌの部分（以下、第１ボトム部と称する：β）における偏析する元素（正偏析元素及び負偏析元素のいずれか（好ましくは両方））の濃度を調節することで、一次鋳塊物のボトム部（β１）での上記元素の濃度も調節することができる。
【００２７】
具体的には、中央部（長さ２／１２Ｌ〜１０／１２Ｌの部分）の平均質量濃度（Ｘ、Ｙ）を基準にして、第１ボトム部で正偏析元素及び負偏析元素のいずれか（又は両方）を調節する。すなわち第１ボトム部で正偏析元素の濃度を調節する場合、該第１ボトム部での正偏析元素の濃度は、０．６Ｘ以上（好ましくは０．６５Ｘ以上、より好ましくは０．７Ｘ以上）、０．９５Ｘ以下（好ましくは０．９Ｘ以下、より好ましくは０．８５Ｘ以下）の範囲内に抑えることが好ましい。また第１ボトム部で負偏析する元素の濃度を調節する場合、該第１ボトム部での負偏析元素の濃度は、１．０５Ｙ以上（好ましくは１．０７５Ｙ以上、より好ましくは１．１Ｙ以上）、１．４Ｙ以下（好ましくは１．３５Ｙ以下、より好ましくは１．３Ｙ以下）の範囲内に高めることが好ましい。さらに必要に応じて、隣接する長さ１０／１２〜１１／１２Ｌの部分（以下、第２ボトム部と称する）で、“正偏析する元素”では０．６Ｘ以上（好ましくは０．６５Ｘ以上、より好ましくは０．７Ｘ以上）、１Ｘ以下（好ましくは０．９５Ｘ以下、より好ましくは０．９Ｘ以下）の範囲内、“負偏析する元素”では１Ｙ以上（好ましくは１．０２５Ｙ以上、より好ましくは１．０５Ｙ以上）、１．４Ｙ以下（好ましくは１．３５Ｙ以下、より好ましくは１．３Ｙ以下）の範囲内で濃度を調節することができる。
【００２８】
高融点活性金属としてＴｉを、偏析抑制対象元素としてＣｒ（Ｔｉに対して正偏析する元素）を選択する場合、二次鋳塊物のボトム部でのＣｒの偏析を抑制するには、消耗電極の第１トップ部での濃度を０．６７〜０．８８Ｘ、または第１および第２トップ部での濃度を０．８〜０．８８Ｘに調節するのが最も望ましい。さらに二次鋳塊物のトップ部でのＣｒの偏析も抑制するには、消耗電極の第１ボトム部での濃度を０．６７〜０．８８Ｘ、または第１および第２ボトム部での濃度を０．７５〜０．８８Ｘに調節するのが最も望ましい。また偏析抑制対象元素としてＭｏ（Ｔｉに対して負偏析する元素）を選択する場合、二次鋳塊物のボトム部でのＭｏの偏析を抑制するには、消耗電極の第１トップ部での濃度を１．１２〜１．２５Ｙ、または第１および第２トップでの濃度を１．１２〜１．０６Ｙに調節すればよい。さらに二次鋳塊物のトップ部でのＭｏの偏析も抑制するには、消耗電極の第１ボトム部での濃度を１．１２〜１．２５Ｙ、または第１および第２ボトム部での濃度を１．１２〜１．０６Ｙに調節すればよい。
【００２９】
なお上記第１トップ部、第２トップ部、第１ボトム部、第２ボトム部および中央部での上記元素の濃度は、各部分内での平均質量濃度を示したものである。そのため上記濃度は部分内で一定であってもよいし、部分内で端に向かって、または端から中央部に向かって連続または段階的に、あるいはランダムに変化していてもよい。なお、合金成分としてＯ（酸素）やＮ（窒素）などの偏析を抑制する場合、それらは高融点活性金属の酸化物（例えばＴｉＯ2など）や窒化物（例えばＴｉＮなど）の形態で、上記酸化物や窒化物の添加量から調節してもよいし、高融点活性金属に含まれるＯやＮの量を制御することで調節してもよい。
【００３０】
また合金成分が２種以上の元素（正偏析する元素と負偏析する元素の組み合わせも含む）を組み合わせたものである場合、各元素について濃度や該濃度を調節する部分を決定すればよい。
【００３１】
上記消耗電極は、例えばトップ部（第１および第２トップ部）となる部分とボトム部（第１および第２ボトム部）となる部分と中央部になるコンパクトを別々に製造し、それらを溶接して製造することができる。コンパクトの構成は、例えば図１に示すような、合金成分２を内部に配し、該合金成分を取り囲むように高融点活性金属１を配する構造であってもよい。その場合、合金成分は図１に示すような円柱状の形態であってもよいし、棒状や板状の形態で配してもよい。さらには高融点活性金属を合金成分で囲むような形態であってもよい。上記コンパクトの製造は公知の方法を適用することができる。例えば、上記合金成分を円柱状や板状などに成形した後、上記合金成分を取り囲むようにしてスポンジまたは粉末金属からなる高融点活性金属を配し、圧縮成形などの方法によって製造すればよい。
【００３２】
また真空アーク溶融法、プラズマアーク溶融法、高周波溶融法や電子ビーム溶融法などの条件は、高融点活性金属や合金成分などに応じて公知の方法を適用することができる。
【００３３】
なお消耗電極のボトム部とは、主として溶融初期に溶融される部分であり、溶融物を固化して得られたインゴットでは、主としてボトム部の成分となる。逆に消耗電極のトップ部は、主として溶融後期に溶融される部分であり、上記トップ部は溶融・固化後、主としてインゴットのトップ部の成分となる。
【００３４】
上記元素の濃度や該濃度を変化させる部分は、実際に消耗電極を製造し、得られた一次鋳塊物や二次鋳塊物での上記元素の成分偏析の挙動を調査することで決定してもよい。それ以外に下記する方法にて、成分偏析の挙動をシミュレーションすることで上記濃度や該濃度を変化させる部分を決定することもできる。
【００３５】
シミュレーションは、下記手順に従って行うことができる。
【００３６】
（手順１）高融点活性金属に含有させる合金成分の高融点活性金属に対する平衡分配係数を求める。
【００３７】
（手順２）（手順１）で得られたデータを基にして、消耗電極のモデルを作製し、このモデル消耗電極に対してその伝熱・凝固解析を行う。
【００３８】
（手順３）（手順２）のデータを基にして消耗電極を溶融させて再分配される結果から一次鋳塊物の成分偏析を予想する。
【００３９】
（手順４）二次鋳塊物での成分偏析の挙動を予想し、（手順２）および（手順３）で得られたデータを用いて該消耗電極の構成を決定する。
【００４０】
各手順についてより詳細に説明する。
【００４１】
（手順１）平衡分配係数は、熱力学データベースソフト（例えば「Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃ」、「ＦａｃｔＳａｇｅ」などのデータベース）を用い、算出すればよい。具体的には液相線温度と固相線温度を多元系で計算し、合金成分を所定濃度含有する高融点活性金属の凝固開始時の液相側の合金成分濃度（ＣL）と固相側の合金成分濃度（ＣS）の比を算出し、その比をとって平衡分配係数（ＫO＝ＣS／ＣL）を求める。
【００４２】
（手順２）モデルとして作製した消耗電極の伝熱・凝固解析については、例えば、（株）神戸製鋼所製の有限要素法解析コード（「ＣＡＳＴＥＭ」など）を用いて、真空アーク溶融法（ＶＡＲ）操業時の溶湯プール形状（温度分布）や凝固界面の移動速度を算出する。
【００４３】
（手順３）（手順２）のモデルとして作製した消耗電極を溶融させて再分配されて得られる一次鋳塊物の結果の予想は、下記式（１）のＢｕｒｔｏｎの式を用いて実効分配係数（Ｋe)を求め、この実効分配係数（Ｋe)を用いて算出することができる。そして合金元素の物質収支は、下記式（２）を用いて算出することができる。
Ｋe＝ＫO／｛ＫO＋（１−ＫO）e（−Ｒ・ｄ／Ｄ）｝          …（１）
Ｋe：実効分配係数、ＫO：平衡分配係数、Ｒ：凝固速度（ｍ／秒）、ｄ：液相側における各元素の拡散層の厚み（ｍ）、Ｄ：拡散係数（ｍ2／秒）
なお本発明では“ｄ／Ｄ”として文献値を採用した（ｄ／Ｄ＝１００００秒／ｍ；William G. Pfann, Zone Melting second edition, 1966, John Wiley & Sons, Inc.）
ＣS＝（１−fs.crit）・Ｃl＋fs.crit・Ｋｅ・Ｃl          …（２）
ＣS：凝固開始時の固相側の合金成分の濃度、fs.crit：洗浄限界固相率、Ｃl：各コンパクトから得られる溶湯中の合金成分の濃度、Ｋe：実効分配係数
なお本発明では“fs.crit”として文献値を採用した（fs.crit＝０．３；高橋忠義ら，鉄と鋼，Ｖｏｌ．７６，Ｎｏ．５（１９９０），第８６頁）。
【００４４】
（手順４）（手順３）で得られた組成のデータの上下を反転させて二次消耗電極の組成分布を決定する（つまり一次鋳造物のトップ部側で得られたデータの値を、二次消耗電極のボトム部側での値とし、一次鋳塊物のボトム部側で得られたデータの値を、二次消耗電極のトップ部側での値とする）。上記で決定した二次消耗電極の組成分布のデータを用いて、上述の（手順２）および（手順３）で述べたのと同様な操作を繰り返し、二次鋳塊物での成分偏析の挙動を調査する。
【００４５】
なお、一般にインゴットでは中心軸上で濃度変動が大きいと考えられることから、インゴットの中心軸上を解析対象とすることが好ましい。
【実施例】
【００４６】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００４７】
実施例１〜１４及び比較例１〜６
（手順１）高融点活性金属に含有させる元素の高融点活性金属に対する平衡分配係数の算出
本実施例及び比較例では、高融活性化合金としてＴｉ−１７（Ｔｉ−５Ａｌ−２Ｓｎ−２Ｚｒ−４Ｍｏ−４Ｃｒ）を用いた時の成分偏析をシミュレーションした。すなわち、このＴｉ−１７において、熱力学データベース「Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃ」（Ｂ．Ｓｕｎｄｍａｎら：Ｃａｌｐｈａｄ，Ｖｏｌ．９（１９８５）第１５３頁）により、Ｔｉに対するＡｌ、Ｓｎ、Ｚｒ、ＭｏおよびＣｒの平衡分配係数（ＫO＝ＣS／ＣL）を算出した。そして二次鋳塊物中での、上記平衡分配係数が最も低く、正偏析する程度が著しいと考えられるＣｒ、および上記平衡分配係数が最も高く、負偏析する程度が著しいと考えられるＭｏの分布状況についてシミュレーションした。
【００４８】
Ｔｉに対する平衡分配係数の値（ＫO）は、Ｍｏで１．３９、Ｃｒで０．６５であった。
【００４９】
（手順２〜４）
実際の製造工程を想定し、溶融炉内で消耗電極を一次溶融してインゴット（一次鋳塊物）を製造した後、得られた一次鋳塊を消耗電極（二次反転消耗電極）として用いて新たにインゴット（二次鋳塊物）を得る際に、図２に示したように、一次鋳塊物の上下を反転させたものを二次反転消耗電極として用いることを想定してシミュレーションした。つまり、二次反転消耗電極のデータは、一次鋳塊物の組成のデータを上下逆にしたものを入力することとした。
【００５０】
なお、溶融方法については真空アーク溶融法を想定し、成分の分布状況を測定する部位は、最も変動が激しいと考えられる鋳塊物の中心軸上とした。一次溶融および二次溶融は、下記する条件に設定した。
・一次溶融条件
溶融に用いた電流：１６ｋＡの定常電流
・二次溶融条件
溶融に用いた電流：１２ｋＡの定常電流
【００５１】
また消耗電極、一次溶融物および二次溶融物の大きさは下記の通りにした。
・消耗電極
本実施例及び比較例で使用する消耗電極は、長さ５０９０ｍｍ、直径φ３７０ｍｍとし、図１に示すような１２個のコンパクト（Ａ〜Ｌ）を溶接して製造したものを想定した。各コンパクト内での合金成分２（Ｃｒ、Ｍｏ）の濃度は表１〜２の通りに設定した。得られる一次鋳塊物および二次鋳塊物の大きさは下記するものを想定した。
・一次鋳塊物
鋳塊直径：φ５７０
鋳塊高さ：２１４５ｍｍ
・二次鋳塊物
鋳塊直径：φ７００
鋳塊高さ：１４２０ｍｍ
【００５２】
また、測定対象である一次および二次溶融物中でのＣｒおよびＭｏの目標濃度は、共に４質量％とした。
【００５３】
凝固解析ソフト「ＣＡＳＴＥＭ」（（株）神戸製鋼所製）を用い、上記溶融条件での各元素の凝固速度を求めた。そして高橋ら（高橋忠義ら：鉄と鋼，Ｖｏｌ．７６，Ｎｏ．５（１９９０），第８６頁）の凝固遷移層の概念を適用して各元素の成分偏析の挙動を調べた。元素の再分配の計算は、上記式（１）のＢｕｒｔｏｎの式を用いて算出した。そして上記式（２）を用いて合金元素の物質収支を算出した。
【００５４】
結果を表１及び表２に示す。
【００５５】
【表１】
2007291453.tif 000003
【００５６】
表１は、正偏析する程度が著しいと考えられるＣｒ（ｋO：０．６５）について、各種消耗電極を用いて得られる二次鋳塊物のＣｒの分布状況についてシミュレーションした結果を示すものである。
【００５７】
なお、Ｃｒの成分偏析の評価（表１中の“Ｃｒの偏析防止割合”）は、消耗電極の中央部でのＣｒの濃度を目的濃度（４質量％）とし、４±０．０８６質量％の範囲内にある割合から求めた。
【００５８】
なお、表中の“トップ部”とは、一次鋳塊を得る際に使用する消耗電極の上端側を意味しており、“ボトム部”とはその逆を意味している。
【００５９】
まず図３は比較例１に示すコンパクト毎でＣｒの質量％濃度が一定な消耗電極を用いて得られた一次・二次鋳塊物の鋳塊高さ（ｍｍ：縦軸）に対するＣｒ濃度（質量％：横軸）の変化をグラフで示したものである。上記の結果、一次鋳塊物（図３中、左のグラフ）ではトップ側にＣｒの偏析がみられ、二次鋳塊物（図３中、右のグラフ）ではトップ側とボトム側にＣｒの偏析がみられた。そのため成分偏析の少ない部分は、全体の７０％程度しか得られなかった（表１の比較例１の結果参照）。それに対して第１および第２トップ部（コンパクトのＡ、Ｂ）でＣｒの濃度を低減させた消耗電極を用いて得られた二次鋳塊物（実施例１）では、成分偏析の少ない部分を８３％に増加させることができた（表１参照）。さらに消耗電極のトップ部とボトム部の両方でＣｒの濃度を低減させた消耗電極を用いて得られた二次鋳塊物（実施例２〜８）では、成分偏析の少ない部分をさらに増加させることができた。図４は実施例５に示す消耗電極を用いて得られた一次・二次鋳塊物の鋳塊高さ（ｍｍ：縦軸）に対するＣｒ濃度（質量％：横軸）の変化をグラフで示したものである。その結果、トップ部とボトム部とでＣｒの濃度を減少させた消耗電極を用いて得られた高融点活性合金の一次鋳塊物（図４中、左のグラフ）でも、トップ部でＣｒの成分偏析はみられるものの、その割合は図３に示した比較例１の消耗電極を用いて得られた一次鋳塊物よりも少なかった（実施例５の消耗電極では最も多い部分で４．５質量％程度であるのに対し、比較例１の消耗電極では４．８質量％以上）。しかも実施例５の二次鋳塊物（図４中、右のグラフ）では、比較例１（図３）とは異なり、ボトム部でのＣｒの成分偏析が抑制されており、さらにトップ部での成分偏析も比較例１の二次鋳塊物よりも抑制されていた（実施例５の二次鋳塊物では最も多い部分で４．２質量％程度であるのに対し、比較例１の二次鋳塊物では４．３質量％程度）。
【００６０】
しかし消耗電極の第１トップ部（コンパクトＡ）と第１ボトム部（コンパクトＬ）の両方で、Ｃｒの濃度を、本発明で規定した範囲以外の０．５Ｘ（中央部での濃度（Ｘ）＝４．０質量％）にした消耗電極を用いて得られた二次鋳塊物（比較例２）では、成分偏析の少ない部分はかえって減少していた（６１％）。また変化させる部分についても、本発明で規定した範囲外（コンパクトＡ、Ｂ、Ｃ、Ｊ，ＫおよびＬ）にまで変化させた消耗電極を用いて得られた二次鋳塊物（比較例３）でも、成分偏析の少ない部分はかえって減少していた（６５％）。
【００６１】
【表２】
2007291453.tif 000004
【００６２】
表２は、負偏析する程度が著しいと考えられるＭｏ（ｋO：１．３９）について、各種消耗電極を用いて得られる二次鋳塊物のＭｏの分布状況についてシミュレーションした結果を示すものである。
【００６３】
なお、Ｍｏの成分偏析の評価（表２中、“Ｍｏの偏析防止割合”）は、消耗電極の中央部でのＭｏの濃度を目的濃度（４質量％）とし、４±０．１質量％の範囲内にある割合から求めた。
【００６４】
表２に示されるように、トップ部（コンパクトＡ、Ｂ）でＭｏの濃度を増加させた消耗電極を用いて得られた二次鋳塊物（実施例９〜１０）では、各コンパクトでＭｏの濃度が一定な消耗電極を用いて得られた二次鋳塊物（比較例４）に比べ、成分偏析の少ない部分を８３〜８７％程度まで増加させることができた。またトップ部とボトム部の両方でＭｏの濃度を増加させた消耗電極を用いて得られた二次鋳塊物（実施例１１〜１４）では、成分偏析の少ない部分がさらに増加していた（８９〜９１％）。
【００６５】
しかし消耗電極の第１トップ部（コンパクトＡ）と第１ボトム部（コンパクトＬ）の両方で、Ｍｏの濃度を、本発明で規定した範囲以外の１．５０Ｙ（中央部での濃度（Ｙ）＝４．０質量％）にした消耗電極を用いて得られた二次鋳塊物（比較例５）では、成分偏析の少ない部分はかえって減少していた（５０％）。また変化させる部分についても、本発明で規定した範囲外（コンパクトＡ、Ｂ、Ｃ、Ｊ，ＫおよびＬ）にまで変化させた消耗電極を用いて得られた二次鋳塊物（比較例６）でも、成分偏析の少ない部分はかえって減少していた（５３％）。
【００６６】
なお上記実施例ではシミュレーション結果を示したが、実際に実験を行っても、同様の結果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】図１は、本発明の消耗電極の構成を説明するための概略図である。
【図２】図２は、本発明の消耗電極を用いて一次・二次鋳塊物を得る工程を説明するための概略図である。
【図３】図３は、比較例１に記載の消耗電極を用い、図２の方法にて得られた一次・二次鋳塊物のＣｒの分布状況を示したグラフである。
【図４】図４は、実施例５に記載の消耗電極を用い、図２の方法にて得られた一次・二次鋳塊物のＣｒの分布状況を示したグラフである。
【図５】図５は、正偏析及び負偏析について説明するためのグラフである。
【符号の説明】
【００６８】
１．高融点活性金属
２．合金成分
α．消耗電極の消耗電極のトップ部
α１．一次鋳塊物のトップ部および二次反転消耗電極のボトム部
α２．二次鋳塊物のボトム部
β．消耗電極のボトム部
β１．一次鋳塊物のボトム部および二次反転消耗電極のトップ部
β２．二次鋳塊物のトップ部
【図１】
2007291453.tif 000005
【図２】
2007291453.tif 000006
【図３】
2007291453.tif 000007
【図４】
2007291453.tif 000008
【図５】
2007291453.tif 000009